專利名稱：一種基于復雜可編程邏輯器件的交流毫歐表及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測試各類毫歐極電阻的測量儀，可測量機電元件的接觸電阻、電池 內(nèi)阻和超級電容串聯(lián)等效電阻。
背景技術(shù)：
目前，在低電阻測試領(lǐng)域基本采用直流測試法，電壓測量的分辨率很難超過1UV，測
量分辨lii Q的電阻，其激勵電流就必須達到1A的電流，開路電壓較高，抗干擾能力較弱， 不符合國標GB5095以及GBT351 (國標要求測試電流小于lOOraA,開路電壓限制在20mV以 內(nèi))對電子設(shè)備接觸電阻檢測要求。
基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)是一種根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電 路，借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖和硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通 過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。主要是由可編程邏輯宏單元 圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成，具有復雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要生成特 定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互 連，所以設(shè)計的邏輯電路具有時間可預測性，可避免分段式互連結(jié)構(gòu)時序不完全預測的缺 點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種測量可靠性強和精度高的基于復 雜可編程邏輯器件的交流毫歐表及其測量方法。
本發(fā)明基于復雜可編程邏輯器件的交流毫歐表采用的技術(shù)方案是包括被測電阻和 CPLD， CPLD的輸出依次串聯(lián)D/A轉(zhuǎn)換器、二階濾波器后形成lkHz電壓信號源，電壓信號 源連接電阻分壓后與被測電阻之間串接一個反饋閉環(huán)，該反饋閉環(huán)由誤差放大器、差分放 大器以及量程電阻組成且連接CPLD;被測電阻兩端的電壓經(jīng)隔離電容連接帶通放大器，帶 通放大器的輸出分別連接鎖相放大器和20mV鉗制控制電路；20mV鉗制控制電路輸出連接 CPLD和電阻；鎖相放大器輸出連接積分型A/D轉(zhuǎn)換器，鎖相放大器與積分型A/D轉(zhuǎn)換器分 別連接CPLD; MCU連接在CPLD與顯示/分選模塊之間。
本發(fā)明基于復雜可編程邏輯器件的交流毫歐表的測量方法是按如下步驟-
1)以CPLD輸出波形代碼給D/A轉(zhuǎn)換器生成多階的階梯波，經(jīng)過二階濾波器的濾波生 成穩(wěn)定的lkHz正弦波電壓信號源，該電壓信號源經(jīng)過電阻分壓后作為基準來控制施加在被測電阻上的激勵信號；
2) 差分放大器放大量程電阻上的電壓信號，并將信號輸入誤差放大器的負輸入端，電 壓信號源的基準信號輸入誤差放大器的正輸入端，誤差信號經(jīng)誤差放大器放大后調(diào)節(jié)在量 程電阻上的電流形成恒定的交流電流；
3) 被測電阻上的信號經(jīng)帶通放大器放大，通過CPLD控制帶通放大器的放大增益，對 激勵信號帶寬附近的波形放大，對帶寬以外的信號抑制；
4) 帶通放大器的輸出同時連接20mV鉗制控制電路，檢測開路電壓超過20mV時，20mV 鉗制控制電路輸出信號通過控制電阻值來控制電壓信號源輸入基準電壓的幅度，將輸出電 壓鉗制在20mV內(nèi)；
5) CPLD輸出(T或90°的lkHz頻率的信號經(jīng)鎖相放大器的鎖相放大后，經(jīng)過積分型 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到被測電阻兩端電壓分量，再經(jīng)MCU的校準和運算即可。
本發(fā)明使用交流信號對低值電阻進行測量，首先用數(shù)字合成頻率技術(shù)產(chǎn)生一個純度很 純的lkHz的交流信號源，以該信號源作為基準搭建一個交流恒流源用作對被測電阻的激勵 信號；再由自行搭建的低噪聲帶通運放將被測電阻上的信號進行放大，由鎖相放大器將信 號進行鎖相放大近一步拉大信噪比，同時提取其矢量分量；再由AD裝換器進行同步積分， 提取直流信號并進行轉(zhuǎn)換；利用MCU進行運算、校準判斷、顯示和分選，同時對開路電壓 進行監(jiān)視，并將電壓限制在20mV以內(nèi)。本發(fā)明測試電流小于100mA,開路電壓在20mV以 內(nèi)，達到國標GB5095和GBT351的標準，可測試大電容的等效串聯(lián)電阻參數(shù)，可降低硬件 成本，增加系統(tǒng)集成度，增強儀器的可靠性，有效避免熱電勢的干擾，提高了交流電壓的 測量分辨率和信噪比，電壓可分辨達10nV的信號，測量1 n Q的電阻，激勵電流僅需10mA。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。 圖1是本發(fā)明交流毫歐的組成示意圖2是圖1中鎖相放大器7和積分型A/D轉(zhuǎn)換器8與CPLD1的連接圖； 圖3是本發(fā)明測量方法的流程圖。
具體實施例方式
如圖l，基于CPLD1 (復雜可編程邏輯器件)的輸出依次串聯(lián)8位D/A轉(zhuǎn)換器2、 二階 濾波器3后形成lkHz電壓信號源4。電壓信號源4連接電阻Rl和R2,經(jīng)電阻Rl和R2分 壓后作為基準信號?；鶞市盘柵c被測電阻Rx之間串接的一個反饋閉環(huán)，該反饋閉環(huán)由誤差 放大器5、差分放大器12以及量程電阻Rr組成，該反饋閉環(huán)連接CPLD 1。差分放大器12放大量程電阻Rr上的電壓信號，并將信號輸入誤差放大器5的負輸入端，電壓信號源4的 基準信號輸入誤差放大器5的正輸入端，誤差信號經(jīng)誤差放大器)放大后調(diào)節(jié)在量程電阻 Rr上的電流。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，流經(jīng)量程電阻Rx的電流/= 其中電壓U是基準信號 電壓，Rr為量程電阻。CPLD l通過控制不同的量程電阻Rr來實現(xiàn)不同的測試電流。
被測電阻Rx兩端的電壓經(jīng)隔離電容Cl和C2連接帶通放大器6,帶通放大器6的輸出 連接鎖相放大器7與積分型A/D轉(zhuǎn)換器8，鎖相放大器7輸出連接積分型A/D轉(zhuǎn)換器8，鎖 相放大器7與積分型A/D轉(zhuǎn)換器8分別連接CPLD1;單片微型計算機MCU 10連接在CPLD 1 與顯示/分選模塊ll之間。帶通放大器6的輸出同時連接20mV鉗制控制電路9， 20mV鉗制 控制電路9輸出連接CPLD l和電阻Rl, —旦檢測到開路電壓超過20mV， 20mV鉗制控制電 路輸出信號來控制恒流源輸入基準電壓的幅度，直到將輸出電壓鉗制在20mV內(nèi)。
如圖2所示，在CPLD 1與積分型A/D轉(zhuǎn)換器8之間連接過零比較器13;在CPLD l與 積分型A/D轉(zhuǎn)換器8負端間安裝開關(guān)SW1和開關(guān)SW2。 CPLD 1在整個積分型A/D轉(zhuǎn)換器8 轉(zhuǎn)換過程中起邏輯控制作用，控制積分型A/D轉(zhuǎn)換器8的充放電和計數(shù)。轉(zhuǎn)換開始前，CPLD1 控制開關(guān)SW2對積分型A/D轉(zhuǎn)換器8上的電荷進行清零。轉(zhuǎn)換開始時，開關(guān)SW2打開，開 關(guān)SW1打到R3位置。
本發(fā)明采用一個純度很高的lkHz的交流電流源，以該信號源作為基準，用作被測電阻 Rx的激勵信號施加在被測電阻Rx上。而測試部分需要對被測電阻Rx上的交流信號進行放 大以及矢量測試，對噪聲進行抑止，信號分率辨達到10nV,同時積分型A/D轉(zhuǎn)換器8得分 辨率需達到16位以上，這樣有效讀數(shù)才能達30000位。
本發(fā)明的測量方法為
以CPLD1發(fā)生波形，通過相位累加器的累加產(chǎn)生的地址來尋址ROM表，將ROM表中的 數(shù)據(jù)輸出輸出波形代碼給D/A轉(zhuǎn)換器2生成多階的階梯波，然后經(jīng)過巴特沃斯二階濾波器 3的濾波生成穩(wěn)定的lkHz正弦波電壓信號源4，諧波分量小，該電壓信號源4經(jīng)過電阻Rl、 R2分壓后作為基準信號，來控制施加在被測電阻Rx上的激勵信號。恒流源即是在基準信 號與被測電阻Rx之間串接的反饋閉環(huán)。
差分放大器12放大量程電阻Rr上的電壓信號，同時提高信噪比，并將信號輸入誤差 放大器5的負輸入端，電壓信號源4的基準信號輸入誤差放大器5的正輸入端，誤差信號 經(jīng)誤差放大器5放大后調(diào)節(jié)在量程電阻Rr上的電流形成恒定的交流電流。
被測電阻Rx上的信號經(jīng)帶通放大器6放大，隔離電容C1、 C2起到隔離直流信號的作 用，針對不同的量程，通過CPLD1控制帶通放大器6的放大增益，對激勵信號帶寬附近的波形進行放大，而對帶寬以外的信號進行40分貝的抑制。
帶通放大器6的輸出同時連接20mV鉗制控制電路9， 20mV鉗制控制電路9監(jiān)視帶通放 大器6的輸出信號， 一旦檢測開路電壓超過20roV時，20mV鉗制控制電路9輸出信號通過 控制電阻Rl值來來控制電壓信號源4輸入基準電壓的幅度，直到將輸出電壓鉗制在20mV 內(nèi)。
CPLD 1輸出0°或90°的lkHz頻率的信號經(jīng)鎖相放大器7的鎖相放大后，經(jīng)過積分 型A/D轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)換得到被測電阻Rx兩端電壓分量，再經(jīng)MCU IO的校準和運算即可。 鎖相放大器7的作用是根據(jù)噪聲的不相關(guān)性的特性，將與鎖相參考信號頻率相關(guān)的信
號進行放大，而對于與參考頻率無關(guān)的信號進行抑制。Wc = "cos (2^/+ a);
C7 0 = cos (2;r/); 66c x C/0 = ^ cos(a/2)+^ cos(4; /" + ") (Ux-未知電壓；U0-參考 電壓)，參見圖2?？梢娊?jīng)過鎖相放大器7后，把噪聲推到2kHz以及更高頻段去了，濾除 交流成分后，能得出直流信號^cos(a/2)了。在這里的鎖相放大器7實際上是一個由 CPLD1輸出0°或90°的lkHz頻率的信號來控制一個增益可變的放大器以實現(xiàn)對被鎖信號 的鎖相放大的。
積分型A/D轉(zhuǎn)換器8是基于CPLD1控制的積分型A/D轉(zhuǎn)換器，對交流信號有很好的抑 制作用，能很好的過濾掉鎖相放大器7輸出的交流信號，經(jīng)鎖相放大器7出來的信號在tl 時間內(nèi)對積分型A/D轉(zhuǎn)換器8進行n (n為整數(shù))個信號周期的積分,t2時刻SW1打到R4 位置，積分型A/D轉(zhuǎn)換器8對直流參考信號進行反向積分，直至過零比較器13輸出過零信
號。根據(jù)電荷平衡方程，充電電荷0-F;cxd/及3;放電電荷。l-Frxf2/及4; gl-j32,
所以被測電壓^-rrx。xi 3/(i 4xfl); Vr為已知的參考電壓，電阻R4， R3為已知參量，
t2，tl可以由CPLDl計數(shù)獲得，所以可得出Vx。該積分型A/D轉(zhuǎn)換器8是積分型的也可以 將信噪比進一步提高。整個系統(tǒng)將信噪比提高到了90分貝，即讀數(shù)可以達到3， OOOO有效 讀數(shù)，最小達到10nV的分辨率。
本發(fā)明運用歐姆定律Zc = C/// (Zx、 U、 I都為復數(shù)變量)，Z^ = / x + /Ar,其中Rx
為實軸分量，即等效電阻分量，X為虛軸分量。由于I為上述的恒流源實現(xiàn)的，所以只需
測量出U即可推算出Zx。令[/ = " + 6_/，對未知電壓U的實部分量的測量可以通過(T鎖相
放大后經(jīng)積分型A/D轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)換得出，對虛部分量的測量可以通過90。鎖相放大后經(jīng)積 分型A/D轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)換得出。MCU IO為運算能力較強、速度比較快的Cortex-M3處理器，其測量程序部分流程如圖3。 MCU 10開機后程序首先對外設(shè)進行初始化，初始化完成后進 入測量狀態(tài)，測量開始后首先檢測各個模塊輸出信號是否正常，如果出現(xiàn)異常則測量結(jié)束。 否則測量繼續(xù)進行，CPLD l輸出lkHz相位O。的方波給鎖相放大器7進行(T鎖相放大， 放大出來的信號經(jīng)過積分型A/D轉(zhuǎn)換器8，處理器得出被測件實部分量。處理器通知CPLD 1 輸出lkHz相位9(T的方波給鎖相放大器7進行90°鎖相放大，放大出來的信號經(jīng)過積分 型A/D轉(zhuǎn)換器8，處理器得出被測件虛部分量，經(jīng)過矢量運算校準后，可以得出串聯(lián)等效 電阻、相位角以及電抗等參數(shù)，結(jié)果輸出到顯示/分選模塊11。
權(quán)利要求
1、一種基于復雜可編程邏輯器件的交流毫歐表，包括被測電阻(Rx)和CPLD(1)，其特征是CPLD(1)的輸出依次串聯(lián)D/A轉(zhuǎn)換器(2)、二階濾波器(3)后形成1kHz電壓信號源(4)，電壓信號源(4)連接電阻(R1、R2)分壓后與被測電阻(Rx)之間串接一個反饋閉環(huán)，該反饋閉環(huán)由誤差放大器(5)、差分放大器(12)以及量程電阻(Rr)組成且連接CPLD(1)；被測電阻(Rx)兩端的電壓經(jīng)隔離電容(C1、C2)連接帶通放大器(6)，帶通放大器(6)的輸出分別連接鎖相放大器(7)和20mV鉗制控制電路(9)；20mV鉗制控制電路(9)輸出連接CPLD(1)和電阻(R1)；鎖相放大器(7)輸出連接積分型A/D轉(zhuǎn)換器(8)，鎖相放大器(7)與積分型A/D轉(zhuǎn)換器(8)分別連接CPLD(1)；MCU(10)連接在CPLD(1)與顯示/分選模塊(11)之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復雜可編程邏輯器件的交流毫歐表，其特征是在 CPLD (1)與積分型A/D轉(zhuǎn)換器(8)之間連接過零比較器(13);在CPLD (1)與積分型A/D 轉(zhuǎn)換器(8)負端間安裝開關(guān)(SW1、 SW2)。
3、 一種基于復雜可編程邏輯器件的交流毫歐表的測量方法，其特征是按如下步驟1) 以CPLD (1)輸出波形代碼給D/A轉(zhuǎn)換器(2)生成多階的階梯波，經(jīng)過二階濾波器 (3)的濾波生成穩(wěn)定的lkHz正弦波電壓信號源(4)，該電壓信號源(4)經(jīng)過電阻(Rl、R2)分壓后作為基準信號來控制施加在被測電阻(Rx)上的激勵信號；2) 差分放大器(12)放大量程電阻(Rr)上的電壓信號，并將信號輸入誤差放大器(5) 的負輸入端，電壓信號源U)的基準信號輸入誤差放大器(5)的正輸入端，誤差信號經(jīng) 誤差放大器(5)放大后調(diào)節(jié)在量程電阻(Rr)上的電流形成恒定的交流電流；3) 被測電阻(Rx)上的信號經(jīng)帶通放大器(6)放大，通過CPLD (1)控制帶通放大器 (6)的放大增益，對激勵信號帶寬附近的波形放大，對帶寬以外的信號抑制；4) 帶通放大器(6)的輸出同時連接20mV鉗制控制電路(9)，檢測開路電壓超過20mV 時，20mV鉗制控制電路(9)輸出信號通過控制電阻(Rl)值來控制電壓信號源(4)輸入 基準電壓的幅度，將輸出電壓鉗制在20mV內(nèi)；5) CPLD (1)輸出0°或90°的lkHz頻率的信號經(jīng)鎖相放大器(7)的鎖相放大后， 經(jīng)過積分型A/D轉(zhuǎn)換器(8)轉(zhuǎn)換得到被測電阻(Rx)兩端電壓分量，再經(jīng)MCU (10)的校 準和運算即可。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于復雜可編程邏輯器件的交流毫歐表及測量方法，CPLD的輸出依次串聯(lián)D/A轉(zhuǎn)換器、二階濾波器后形成1kHz電壓信號源，電壓信號源連接電阻分壓后與被測電阻之間串接一個反饋閉環(huán)，該反饋閉環(huán)由誤差放大器、差分放大器以及量程電阻組成且連接CPLD；被測電阻兩端的電壓經(jīng)隔離電容連接帶通放大器，帶通放大器的輸出分別連接鎖相放大器和20mV鉗制控制電路；20mV鉗制控制電路輸出連接CPLD和電阻；鎖相放大器輸出連接積分型A/D轉(zhuǎn)換器，鎖相放大器與積分型A/D轉(zhuǎn)換器分別連接CPLD；MCU連接在CPLD與顯示/分選模塊之間。本發(fā)明測試電流小于100mA，開路電壓在20mV以內(nèi)，可測試大電容的等效串聯(lián)電阻參數(shù)，增加系統(tǒng)集成度，可提高交流電壓的測量分辨率和信噪比。
文檔編號G01R27/14GK101533047SQ20091002947
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者何可人, 朱正偉 申請人:江蘇工業(yè)學院